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1、工业控制网络工业控制网络主讲教师：王振力第第8章章 工业以太网工业以太网 8.1 工业以太网简介工业以太网简介8.2 EPA8.3 PROFINET8.4 HSE8.5 Ethernet/IP8.6 Modbus TCP8.7 台达工台达工 业以太网设备简介业以太网设备简介8.8 台达工业以太网系统组态台达工业以太网系统组态8.1 工业以太网简介工业以太网简介v工业以太网是以太网技术向工业控制领域渗透催工业以太网是以太网技术向工业控制领域渗透催生的产物。生的产物。v一般是指技术上与商用以太网（即一般是指技术上与商用以太网（即IEEE801.13或或IEEE802.11系列标准）兼容，但在产品设
2、计、材系列标准）兼容，但在产品设计、材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。能满足工业现场的需要。v工业以太网基于成熟的以太网技术和工业以太网基于成熟的以太网技术和TCP/IP技技术，具有较高实时性和传输能力。术，具有较高实时性和传输能力。 8.1 工业以太网简介工业以太网简介工业以太网的优势工业以太网的优势1.应用广泛应用广泛2.成本低廉成本低廉3.通信速率高通信速率高4.软硬件资源丰富软硬件资源丰富5.可持续发展能力强可持续发展能力强6.易
3、于实现管控一体化易于实现管控一体化8.1 工业以太网简介工业以太网简介一、以太网与工业以太网一、以太网与工业以太网 以太网（以太网（Ethernet）最早由）最早由Xerox开发，后开发，后经经DEC公司、公司、Intel公司联合扩展，形成了包括物公司联合扩展，形成了包括物理层与数据链路层的规范。理层与数据链路层的规范。 IEEE802.3就是以这个技术规范为基础制定就是以这个技术规范为基础制定的。的。 以太网逐渐成为互联网系列技术的代名词，以太网逐渐成为互联网系列技术的代名词，包括原有的物理层与数据链路层，网络层与传输包括原有的物理层与数据链路层，网络层与传输层的层的TCP/IP协议组和应用
4、层协议。协议组和应用层协议。 8.1 工业以太网简介工业以太网简介以太网通信参考模型以太网通信参考模型 8.1 工业以太网简介工业以太网简介 工业以太网（工业以太网（Industrial Ethernet）源于以）源于以太网而又不同于普通以太网。太网而又不同于普通以太网。 工业以太网涉及工业企业网络的各个层次，工业以太网涉及工业企业网络的各个层次，无论是工业环境下的企业信息网络，还是采用普无论是工业环境下的企业信息网络，还是采用普通以太网技术的控制网络，以及新兴的实时以太通以太网技术的控制网络，以及新兴的实时以太网，均属于工业以太网的技术范畴。网，均属于工业以太网的技术范畴。 8.1 工业以太
5、网简介工业以太网简介二、工业以太网的环境适应问题二、工业以太网的环境适应问题v工业级以太网产品工业级以太网产品v光纤光纤v总线供电总线供电v本质安全本质安全 8.1 工业以太网简介工业以太网简介三、以太网通信的非确定性问题三、以太网通信的非确定性问题 1. 利用以太网的高通信速率利用以太网的高通信速率 2. 控制网络负荷控制网络负荷 3. 采用全双工以太网技术采用全双工以太网技术 4. 采用交换式以太网技术采用交换式以太网技术 5. 采用实时以太网采用实时以太网 8.1 工业以太网简介工业以太网简介四、实时以太网四、实时以太网 IEC61784-2的的PAS文件：文件：EtherNet/IP、
6、PROFINET、P-NET、Interbus、VNET/IP、TCnet、EtherCAT、Ethernet Porwerlink、EPA、Modbus-RTPS、SERCOS-III。 1. 实时机制实时机制 2. 实时以太网的介质访问控制实时以太网的介质访问控制（1）RT-CSMA/CD（2）确定性分时调度）确定性分时调度8.2 EPAvEPA是在国家科技部是在国家科技部“863”计划的支持下，由计划的支持下，由中国几所大学和研究所联合开发的现场总线国家中国几所大学和研究所联合开发的现场总线国家标准，它的全称是标准，它的全称是用于工业测量与控制系统的用于工业测量与控制系统的EPA通信标准
7、通信标准。vEPA已成为现场总线国际标准已成为现场总线国际标准IEC61158Type14。vEPA为用户应用进程之间无障碍的数据交换提供为用户应用进程之间无障碍的数据交换提供了统一的平台。了统一的平台。vEPA已在化工、制药等多个领域的典型装置上获已在化工、制药等多个领域的典型装置上获得了成功的应用。得了成功的应用。 8.2 EPA一、一、EPA的主要特点的主要特点 （1）开放性）开放性（2）支持）支持EPA报文与一般网络报文并行传输报文与一般网络报文并行传输（3）分层化网络安全策略）分层化网络安全策略（4）基于）基于XML的的EPA设备描述与互操作设备描述与互操作（5）冗余）冗余（6）一致
8、的高层协议）一致的高层协议8.2 EPA二、二、EPA的通信协议模型的通信协议模型 8.2 EPA三、三、EPA的网络结构的网络结构 8.3 PROFINET一、一、PROFINET技术的起源技术的起源vPROFINET是是PROFIBUS国际组织（国际组织（PNO）于）于2001年年8月发表的新一代通信系统。月发表的新一代通信系统。v在在2003年年4月月IEC颁布的现场总线国际标准颁布的现场总线国际标准IEC61158第第3版中，版中，PROFINET被正式列为国际被正式列为国际标准标准IEC61158Type10。vPROFINET是一种工业以太网标准，能够将现场是一种工业以太网标准，能
9、够将现场控制层和企业信息管理层有机地融合为一体。控制层和企业信息管理层有机地融合为一体。 8.3 PROFINET二、二、PROFINET的主要技术特点的主要技术特点 （1）PROFINET的基础是组件技术的基础是组件技术（2）PROFINET采用标准以太网和采用标准以太网和TCP/IP协议协议族，再加上应用层的族，再加上应用层的DCOM（Distributed COM）来完成节点之间的通信和网络寻址。）来完成节点之间的通信和网络寻址。（3）通过代理设备实现）通过代理设备实现PROFINET与传统与传统PROFIBUS系统或其他总线系统的无缝集成。系统或其他总线系统的无缝集成。 8.3 PRO
10、FINET（4）PROFINET支持总线型、树型、星型和冗支持总线型、树型、星型和冗余环型结构。余环型结构。（5）PROFINET采用采用100Mbps以太网交换技术以太网交换技术（6）PROFINET支持生产者支持生产者/用户通信方式。用户通信方式。（7）借助于简单网络管理协议，）借助于简单网络管理协议，PROFINET可可以在线调试和维护现场设备。以在线调试和维护现场设备。 8.3 PROFINET三、三、PROFINET通信通信 1. 不同类型的通信不同类型的通信TCP/IP标准通信标准通信 实时通信实时通信 同步实时同步实时通信通信 8.3 PROFINET2. PROFINET中的时
11、间槽分配中的时间槽分配 8.3 PROFINET四、四、PROFINET与其他现场总线系统的集成与其他现场总线系统的集成 PROFINET提供了与提供了与PROFIBUS以及其他以及其他现场总线系统集成的方法，以便现场总线系统集成的方法，以便PROFINET能能与其他现场总线系统方便地集成为混合网络，实与其他现场总线系统方便地集成为混合网络，实现现场总线系统向现现场总线系统向PROFINET的技术转移。的技术转移。1. 基于代理设备的集成基于代理设备的集成2. 基于组件的集成基于组件的集成 8.4 HSE一、一、HSE的系统结构的系统结构 8.4 HSEHSE的通信协议模型的通信协议模型 8.
12、4 HSE二、二、HSE与现场设备间的通信与现场设备间的通信 8.4 HSE三、三、HSE的柔性功能块的柔性功能块 vHSE使用标准使用标准FF功能块，例如功能块，例如AI、AO和和PID，保证控制网络所有层次上数据表达的统一。保证控制网络所有层次上数据表达的统一。vHSE又增加了柔性功能块，并允许又增加了柔性功能块，并允许H1设备与设备与HSE设备之间的混合组态运行。设备之间的混合组态运行。 v柔性功能块包括为高级过程控制、离散控制、间柔性功能块包括为高级过程控制、离散控制、间歇过程控制、连续歇过程控制、连续/离散离散/间歇的混合系统的控制间歇的混合系统的控制而开发的功能模块，它把远程而开发
13、的功能模块，它把远程I/O和子系统集成和子系统集成起来。起来。 8.4 HSE四、四、HSE的链接设备的链接设备 vHSE技术的核心部分就是链接设备。技术的核心部分就是链接设备。v链接设备是链接设备是HSE体系结构中将体系结构中将H1设备连接到设备连接到HSE主干网的关键组成部分主干网的关键组成部分 。v网桥功能能够用来连接多个网桥功能能够用来连接多个H1总线网段，并且总线网段，并且使不同使不同H1网段上面的网段上面的H1设备之间能够进行对等设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。通信而无需主机系统的干预。 v网关功能允许将网关功能允许将HSE网络连接到其他的工厂控制网络连接到其他的工厂
14、控制网络和信息网络网络和信息网络 。 8.5 Ethernet/IP一、一、Ethernet/IP概述概述 v1998年初，年初，ControlNet国国际组织CI开开发了由了由ControlNet和和DeviceNet共享的、开放的和广泛接共享的、开放的和广泛接受的基于受的基于Ethernet的的应用用层规范。范。vCI、工、工业以太网以太网协会（会（IEA）和开放的）和开放的DeviceNet供供应商商协会（会（ODVA）于）于2000年年3月月发布了布了Ethernet/IP（以太网工（以太网工业协议）技）技术规范。范。v Ethernet/IP的成功之的成功之处在于在在于在TCP/UD
15、P/IP上附上附加了加了CIP，提供了一个公共的，提供了一个公共的应用用层 。8.5 Ethernet/IPEthernet/IP通信通信协议模型模型 8.5 Ethernet/IP二、二、Ethernet/IP的的报文种文种类 1. I/O数据数据报文文 v实时性要求性要求较高的高的测量控制数据；量控制数据；v通常是小数据包；通常是小数据包；v采用采用UDP/IP协议传输；协议传输； vI/O数据数据报文又称文又称为隐性性报文；文；v只包含只包含应用用对象的象的I/O数据，没有数据，没有协议信息，数信息，数据接收者事先已知道数据的含据接收者事先已知道数据的含义。vI/O数据数据报文文仅能以面
16、向能以面向连接的方式接的方式传送。送。8.5 Ethernet/IP2. 显性信息性信息报文文 v实时性要求较低的组态、诊断、趋势数据等实时性要求较低的组态、诊断、趋势数据等;v一般为比一般为比I/O数据报文大得多的数据包数据报文大得多的数据包;v显示信息交换是一个数据源和一个目标设备之间显示信息交换是一个数据源和一个目标设备之间短时间内的连接；短时间内的连接；v显性信息报文采用显性信息报文采用TCP/IP协议；协议；v根据协议及代码的相关规定来理解报文的意义；根据协议及代码的相关规定来理解报文的意义；v显性信息报文传送可以采用面向连接的通信方式，显性信息报文传送可以采用面向连接的通信方式，也
17、可以采用非连接的通信方式来实现。也可以采用非连接的通信方式来实现。 8.5 Ethernet/IP3. 网络维护报文网络维护报文v在一个生产者与任意多个消费者之间起网络维护在一个生产者与任意多个消费者之间起网络维护作用的报文。作用的报文。v在系统专门指定的时间内，由地址最低的节点在在系统专门指定的时间内，由地址最低的节点在此时间段内发送时钟同步和一些重要的网络参数，此时间段内发送时钟同步和一些重要的网络参数，以使网络中各节点同步时钟，调整与网络运行相以使网络中各节点同步时钟，调整与网络运行相关的参数。关的参数。v网络维护报文一般采用广播方式发送。网络维护报文一般采用广播方式发送。 8.5 Et
18、hernet/IP三、基于三、基于Ethernet/IP的工业以太网组网的工业以太网组网1.系系统规划划v确定系确定系统应用需求用需求v系系统性能性能预测（带宽带宽 、I/O数据刷新周期）数据刷新周期）2.网网络规划与网划与网络安装安装（1）设备的选择）设备的选择v网线的选择网线的选择v连接器的选择连接器的选择v集线器的选择集线器的选择8.5 Ethernet/IP（2）制定网络方案）制定网络方案v确定通信波特率确定通信波特率v确定各台设备的摆放位置确定各台设备的摆放位置 v确定每个连接的距离确定每个连接的距离 v注意网络安全注意网络安全 3.设备配置配置（1）直接在设备上进行配置）直接在设备
19、上进行配置 （2）在计算机上进行远程配置）在计算机上进行远程配置 8.6 Modbus TCP一、一、Modbus TCP概述概述 v1999年推出年推出Modbus TCP工工业以太网以太网协议。vModbus TCP协议以一种比以一种比较简单的方式将的方式将Modbus帧嵌入到嵌入到TCP帧中。中。vIANA（Internet Assigned Numbers Authority, 互互联网网编号分配管理机构）号分配管理机构）给Modbus协议赋予予TCP端口端口502。vModbus标准准协议已提交已提交给IETF（Internet Engineering Task Force, 互互联
20、网工程任网工程任务部），部），将成将成为以太网以太网标准。准。 8.6 Modbus TCPModbus TCP通信参考模型通信参考模型 8.6 Modbus TCPModbus TCP的通信体系的通信体系结构构 8.6 Modbus TCPModbus TCP的特点的特点 （1）TCP/IP已成为信息行业的事实标准已成为信息行业的事实标准（2）易于与各种系统互连）易于与各种系统互连（3）网络实施价格低廉）网络实施价格低廉（4）用户强烈要求）用户强烈要求（5）高速的数据）高速的数据（6）厂家能提供完整解决方案）厂家能提供完整解决方案8.6 Modbus TCP二、二、Modbus TCP应用数
21、据用数据单元元 vModbus TCP的的应用数据用数据单元就是将元就是将Modbus 简单协议数据数据单元（元（PDU）按照）按照TCP/IP协议标准准进行封装。行封装。 v一个一个TCP帧只能传送一个帧只能传送一个Modbus ADU 。8.6 Modbus TCPv在在Modbus TCP应用数据单元中有一个被称为应用数据单元中有一个被称为MBAP的报文头，即的报文头，即Modbus应用协议报文头，应用协议报文头，这种专用报文头的长度为这种专用报文头的长度为7个字节个字节 。8.6 Modbus TCP三、三、Modbus-RTPS v2008年年10月，月，ISA展会期展会期间宣布宣布
22、Modbus组织与与IDA合并，合并后的合并，合并后的Modbus-IDA组织将横跨欧将横跨欧美，成美，成为与与PRIFINET、Ethernet/IP鼎力的鼎力的阵营。vModbus-RTPS是是Modbus-IDA组织开开发的基于以的基于以太网太网TCP/IP和和Web互互联网技网技术的的实时以太网。以太网。v其中其中RTPS（Real-time Publish/Subscribe）是在）是在以太网以太网TCP/IP基基础上采用的上采用的实时扩展通信展通信协议。8.7 台达工业以太网设备简介台达工业以太网设备简介一、台达工业以太网通信模块一、台达工业以太网通信模块 1. DVPEN01-S
23、L模模块特点特点（1）自动检测）自动检测 10/100 Mbps 传输速率；传输速率；（2）支持）支持Modbus TCP 协议；协议；（3）可以发送电子邮件；）可以发送电子邮件；（4）通过网际网络时间校正功能，自动调整）通过网际网络时间校正功能，自动调整PLC 主机万年历时间；主机万年历时间；（5）点对点数据交换功能）点对点数据交换功能 （最长（最长200 字节）；字节）；（6）支持）支持MDI/MDI-X 自动检测。自动检测。8.7 台达工业以太网设备简介台达工业以太网设备简介2. DVPEN01-SL模块外观及功能介绍模块外观及功能介绍8.7 台达工业以太网设备简介台达工业以太网设备简介
24、3. DVPEN01-SL模模块ModbusTCP控制寄存器控制寄存器8.7 台达工业以太网设备简介台达工业以太网设备简介二、台达工业以太网远程二、台达工业以太网远程I/O模块模块 1. RTU-EN01模模块特点特点 （1）支持）支持Modbus TCP 协议；协议；（2）支持）支持Smart PLC 、计数器、定时器、万年、计数器、定时器、万年历；历；（3）最大支持）最大支持16 台数字量模块与台数字量模块与8 台模拟量模台模拟量模块；块；（4）支持）支持ModbusTCP/Modbus 网关；网关；（5）支持通过网页设定参数；）支持通过网页设定参数；（6）支持）支持MDI/MDI-X 自
25、动检测。自动检测。8.7 台达工业以太网设备简介台达工业以太网设备简介2. RTU-EN01模块外观及功能介绍模块外观及功能介绍 8.7 台达工业以太网设备简介台达工业以太网设备简介3. RTU-EN01模块典型应用模块典型应用8.7 台达工业以太网设备简介台达工业以太网设备简介三、三、台达工业以太网交换机台达工业以太网交换机 1. DVS-005I00特点特点（1）5路以太网络接口，路以太网络接口， 1Gbit/s交换能力；交换能力；（2）直流电源输入；）直流电源输入；（3）工业防护等级）工业防护等级IP30铝合金外壳，支持铝合金外壳，支持DIN导轨或壁挂式安装；导轨或壁挂式安装；（4）具备
26、自动协商功能，支持全双工）具备自动协商功能，支持全双工/半双工流半双工流量控制；量控制；（5）支持）支持MDI/MDI-X 自动检测。自动检测。8.7 台达工业以太网设备简介台达工业以太网设备简介2. DVS-005I00模模块外外观及功能介及功能介绍 8.8 台达工业以太网系统组态台达工业以太网系统组态功能要求：组建工业以太网络，实现远程功能要求：组建工业以太网络，实现远程I/O模模块与块与PLC主机进行数字量和模拟量输入输出变量主机进行数字量和模拟量输入输出变量连接。连接。 1. 系统分析系统分析vModbus TCP主站采用台达主站采用台达DVPEN01-SL模块与模块与SV系列系列PL
27、C构成构成 ；vModbus TCP从站采用台达从站采用台达RTU-EN01模块与模块与I/O扩展模块构成扩展模块构成 ；v网络配置工具网络配置工具 、Modbus TCP主站和从站设备通主站和从站设备通过工业以太网交换机构成星形局域网络过工业以太网交换机构成星形局域网络 。 8.8 台达工业以太网系统组态台达工业以太网系统组态8.8 台达工业以太网系统组态台达工业以太网系统组态2.使用使用DCISoft软件配置网络软件配置网络 正确配置正确配置DCISoft软件通信参数，进行在线软件通信参数，进行在线连接自动扫描台达连接自动扫描台达Ethernet 产品产品 。8.8 台达工业以太网系统组态
28、台达工业以太网系统组态（1）RTU-EN01节点配置节点配置8.8 台达工业以太网系统组态台达工业以太网系统组态 （1）RTU-EN01节点配置节点配置8.8 台达工业以太网系统组态台达工业以太网系统组态（2）DVPEN01-SL模模块的配置的配置 8.8 台达工业以太网系统组态台达工业以太网系统组态 （2）DVPEN01-SL模模块的配置的配置 8.8 台达工业以太网系统组态台达工业以太网系统组态3.工业以太网网络控制工业以太网网络控制控制要求：控制要求：v当当开开关关量量输输入入X0=ON 时时，模模拟拟量量输输出出CH1每每秒秒自加自加1；v开开关关量量输输入入X0=OFF 时时，模模拟拟量量输输出出CH1保保持持不不变；变；v当当模模拟拟量量输输入入CH1超超过过6000时时，开开关关量量输输出出Y0控制报警指示灯亮；控制报警指示灯亮；v当当模模拟拟量量输输入入CH1低低于于6000时时，开开关关量量输输出出Y0控制报警指示灯灭。控制报警指示灯灭。8.4 HSE（1）工业以太网远程）工业以太网远程I/O模块与模块与PLC 元件的对元件的对应关系应关系 8.4 HSE（2）PLC梯形图程序梯形图程序
